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1、1,第8章 波形的发生和信号的转换,重点：,1.正弦波振荡电路 2.电压比较器,2,8.1,正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。,8.1.1 概述,一、产生正弦波振荡的条件,图示正弦波振荡电路的方框图，它由放大电路和正反馈网络（具有选频作用）组成。,正弦波振荡电路,3,1. 起振与稳幅,由于电扰动（如合闸通电），电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，若电路只对频率为fo的正弦波产生正反馈过程，则,由于晶体管的非线性特性，当X0的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，Xo增大到一定数值时，电路达到动态平衡。,4,2. 振荡
2、条件,正弦波振荡的平衡条件为,幅值平衡条件,相位平衡条件,电路的起振条件为,或,(n为整数),5,二、正弦波振荡电路的组成及分类,1. 组成,（1）放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程，满足幅值条件。 （2）选频电路：保证电路产生单一频率的正弦波振荡。 （3）正反馈网络：使 ，满足相位条件。 （4）稳幅环节：即非线性环节，使输出信号幅值稳定。,实际中，常将选频网络与正反馈网络“合二而一”。,2. 分类,按选频网络不同分类： （1）RC正弦波振荡电路：f0低，一般在1MHZ以下； （2）LC正弦波振荡电路：f0高，多在1MHZ以上； （3）石英晶体电路：振荡频率稳定，可等效LC振荡电路。
3、,注：,6,三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,（1）检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；,只有在相位条件满足的情况下，判断是否满足幅 值条件才有意义。,注：,（2）判断放大电路是否能正常工作，既是否有合适的静态工作点及动态信号是否能够输入、输出和放大；,（3）用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件；,（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，既是否满足起振条件。方法是求 、 ，判断 否。,7,8.1.2 RC正弦波振荡电路,常见的RC正弦波振荡电路有： （1）RC桥式正弦波振荡电路； （2）RC移相式振荡电路； （3）双T选频网络振荡电路等。,一、RC串并联选频网络
4、,RC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络。,8,Z1,Z2,取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令,则：,9,得 RC 串并联电路的幅频特性为：,相频特性为：,可见，具有选频特性。,1/3,+90,-90,10,二、RC桥式正弦波振荡电路(重点）,1. 电路组成,（1）放大电路：同相比例运算放大电路 ；,（2）选频与正反馈网络 ： R、C 串并联网路；,（3）稳幅环节 ：RF 与 R1 组成的电压串联负反馈电路。,R1、RF及R、C串联、并联的R、C各为一臂构成桥路，故此得名，如图。,RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电
5、路(Wien)。,11,2. 振荡频率与起振条件,（1） 振荡频率,（2） 起振条件,f = f0 时，,由振荡条件知：,所以起振条件为：,同相比例运放的电压放大倍数为,12,3. 稳幅措施,为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节。,（1）可选用R1为正温度系数的热敏电阻。 当UORF、R1上电流R1的温度TCR1AuUO,（2）可选用RF为负温度系数的热敏电阻。,（3）在 Rf 回路串联两个并联的二极管，如图。 IDrd ,IDrd 加入非线性环节，从而稳定输出电压。,13,三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路,用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；,用同轴电位
6、器实现f0的微调。,RC串、并联网络中，如何调节频率？,问题：如何提高频率？,14,电子琴的振荡电路,使R2R1,AF1,可调,A2,15,四、其他形式的 RC 振荡电路,1. 移相式振荡电路,集成运放产生的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,振荡频率为：,270,180,90,当 f = f0 时，相移 180，满足正弦波振荡的相位条件。,起振条件：RF 12 R,16,2. 双 T 选频网络振荡电路,振荡频率约为：,当 f = f0 时，双 T 网络的相移为 F = 180；反相比例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的
7、相位平衡条件。,如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。,起振条件,17,* 三种 RC 振荡电路的比较,可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。,电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。,选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。,18,8.1.3 LC 正弦波振荡电路,一、LC 谐振回路的频率特性,由于振荡频率较高， 放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。,并联电路的导纳：,当,电路发生并联谐振。,19,并联谐振角频率,式中：,谐振回路的品质因数,当 Q 1 时,谐振频率：,20,21,图示不同
8、Q 值时，LC 回路的幅频特性和相频特性。,Z01,Z02,Q1 Q2,Q1,Q2,Q1,Q2,Q1 Q2,感性,纯阻,容性,结论：,（1）当 f = f0 时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为容性。所以 LC 并联电路具有选频特性。,（2）电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。,22,若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当 f = f0 时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路。,若引入正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。,LC 正弦波振荡电路,23,二、变压器反馈式振荡电路,1. 工作原理（要求会判断）,判断
9、电路产生正弦波振荡的可能性：,（1）振荡电路含有：放大电路，选频网络，正反馈网络及晶体管的非线性实现的稳幅环节四个部分。,（2）用瞬时极性法，可知满足正弦波振荡的相位条件。,（3）图示电路中的放大电路是典型的工作点稳定电路，可设置合适的静态工作点;从交流通路可见，电路可正常放大。,24,（4）本电路的输入电阻是放大电路负载的一部分， 相互关联。只要合理选择变压器的匝比及其它电路参数 ，电路容易满足幅值条件。,2. 振荡频率和起振条件(推导略),图示变压器反馈式振荡电路的交流等效电路。R是LC谐振回路、负载等的总损耗，L1为考虑到N3回路参数折合到原边的等效电感，L2为副边电感，M为N1和N2间
10、的等效互感;Ri为放大电路的输入电阻，Ri=Rb1/Rb2/rbe 。,25,整理得,式中,当Q1时，振荡频率,在谐振频率下，,(b)图为（a）图从A、B向右看进去的等效电路。可见，带负载后，电感量减小，损耗变大，,因而Q，选频特性变差。其品质因数,26,电路的起振条件,即,可见，Q值愈大，要求的值愈低。,3. 优缺点,代入上式得 起振条件为,变压器反馈式振荡电路 易于产生振荡，输出波形失真不大，应用范围广泛。但是耦合不紧密，损耗大;且振荡频率的稳定性不高。,27,三、电感反馈式振荡电路,1. 电路组成,为了克服变压器反馈振荡电路中变压器原、副边耦合不紧的缺点，N1和N2合并为一个线圈。 为了
11、加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端，如图所示。,28,2. 工作原理,判断电路能否产生正弦波振荡： (1)电路中包含放大电路、选频回路、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分; (2)放大电路能够正常工作; (3)由瞬时极性法判断满足正弦波振荡的相位条件; (4)只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。,由图可见，原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个电极，故称电感反馈振荡电路为电感三点式电路。,29,3. 振荡频率和起振条件(推导略),断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。 设Q1,则振荡频率。,反馈系数的数值,A、B两端向右看的等效电阻为,30,从A、B两端向右看进去的等效电阻
12、为,31,可见，,易起振,不易起振,故,4. 优缺点,优点：由于N2与N1耦合紧密，幅值大; 当C可调，可获得大范围的振荡频率。,缺点：由于Uf 取自电感，对高次谐波有较大的电抗，输出电压含有高次谐波，波形较差。适用于对波形要求不高的设备中。,，,32,四、电容反馈式振荡电路,1. 电路组成,将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感，电感换成电容，且增加RC，就是电容反馈式振荡电路，如图示。,因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故又称为电容三点式电路。,RL,33,3. 振荡频率和起振条件,振荡频率,2. 工作原理,判断：（1）电路包含放大电路，选频网络，反馈网络和 非线性元件（晶体管）四个
13、部分; （2）放大电路能够正常工作; （3）用瞬时极性法可知满足相位条件; （4）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅 值条件，而产生正弦波振荡。,RL,34,反馈系数,电压放大倍数,式中集电极等效负载,35,根据 ,由式,可得,起振条件为,注：,（1）,不利电路起振,利于电路起振,要适当，,（2）输出波形好，但用改变电容调节fo。则会影响电路的起振条件;而用改变电感调节fo 比较困难。所以常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大时，可采用图示选频网络。,根据实验确定。,36,4. 稳定振荡频率的措施,若要提高电容反馈式振荡电路的频率，势必要减小C1、C2和L。在C1和C2较小时，晶体
14、管的极间电容和电路的杂散电容将影响振荡频率。 为了稳定振荡频率，在设计电路时，必须使Ci和CO对选频特性的影响忽略不计。若C1和C2远大于极间电容和杂散电容, 振荡频率几乎不受Ci和CO影响，振荡频率稳定。 具体办法是在电感支路串联一个小电容C，且CC1 ， CC2 ，则,37,振荡频率,可见，fo 几乎与C1和C2无关，也与极间电容和杂散电容无关。,注：,若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上，则应采用共基极放大电路，如图示。,38,例1,电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副带边线圈的同
15、名端。,由瞬时极性法得，变压器原边线圈下端 和副边线圈的上端为同名端。,解：,39,L接在晶体管的基极和集电极，L使两个电极近似短路，放大电路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。,改正图所示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。,例2,Ce容量远大于C1和C2，故为旁路电容，对交流可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络，C2上电压为输出电压，C1上电压为反馈电压，因而为电容反馈式振荡电路。,解：,晶体管的集电极直接接电源，交流输出电压等于零，所以必须在集电极加电阻RC。,40,各种 LC 振荡电路的比较,频率可调，范围较宽
16、。,一般,可达 10-4,几千赫 几十兆赫,同左,较差,同左,同左,频率可调，范围较小。,好,可达 10-4 10-5,几兆赫 一百兆赫,同左,同左,好,可达 10-5,同左,41,8.1.4 石英晶体振荡器,石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。,将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体振荡器，其结构示意图和符号如图示。,一、石英晶体的特点,结构示意图,符号,42,压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,1. 压电效应和压电振荡,这一特定的频率就
